Hardware de Red: EL SWITCH

Modulo II “Redes LAN”FUNDAUC

Instructor: T.S.U. Ali Luna

El hardware de red se encuentra conformado por los componentes materiales que se encuentra y que unen a las redes de computadoras, los dos componentes más importantes en este caso son los medios de transmisión que pueden transportar las señales de los computadores que son generalmente cables estándar o cables de fibra óptica, también existen las redes que van sin cables y que se realizan por medio de la transmisión de infrarrojos o por medio de radiofrecuencias, un adaptador de red que puede permitir el acceso a un medio material que conecta a los computadores, pudiendo recibir los paquetes de transferencia por medio del software de red y transmitiendo instrucciones y peticiones a otros computadores, esta información puede ser transferida en forma de dígitos binarios o mas conocidos como bits, unos y ceros, pudiendo ser procesados por los circuitos electrónicos que se encuentran en las computadoras.

Un Switch es un dispositivo de Networking situado en la capa 2 del modelo de referencia OSISe tiene una gran variedad de switches con distintas características y por ello distintos criterios de clasificación, los cuales son:

Por el Tipo de Administración: •Switches Administrables, aquellos que permiten cierta funcionalidad de administración del switch (VLAN).•Switches no Administrables, son aquellos que no permiten ninguna o escasa funcionalidad de configuración y administración.

Por la Capacidad:•Switches apilables: permiten agrupar varias unidades sobre un bus de expansión, el bus debe proporcionar suficiente ancho de banda para manejar comunicaciones full-duplex. Se recomienda comprarlos del mismo fabricante para evitar problemas de administración global e intercomunicación entre los switches. Por lo general son switches administrables. •Switches no apilables: son aquellos que no soportan un bus de expansión.

Redes LAN conmutadas: Conmutador Switch

Por la Modularidad: a. Switches modulares, tienen la capacidad de soportar la agregación de puertos, como nuevos módulos, por lo general son switches multicapa por trabajar en capa 2, 3, u otros superiores (Modelo OSI). Generalmente utilizados como switches de troncal (backbone, columna vertebral de la red). Por lo general son switches administrables. b. Switches no modulares, no poseen ninguna capacidad de agregación de módulos.

Por la Capacidad de Tráfico: Se clasifican por las velocidades con las que trabajan, siendo estas 10, 100 y 1000 Mbps (1.000.000 de bits por segundo), los de mayor velocidad por lo general son utilizados como switch de troncal (backbone), pueden ser modulares y administrables.Switch Modular

Switches Apilables

Un switch es un dispositivo de propósito especial diseñado para resolver problemas de rendimiento de la red, problemas de congestión y embotellamientos. El switch puede agregar mayor ancho de banda, acelerar la salida de tramas, reducir tiempo de espera y actualmente el costo por puerto tiende a bajar (costo económico). Opera generalmente en la capa 2 del modelo OSI (también existen de capa 3 y últimamente multicapas), reenvía las tramas en base a la dirección MAC.

Para que un equipo terminal pueda comunicarse con otro sin que su tráfico no afecte a otros equipos terminales, los switches (de capa de enlace del modelo OSI) hacen uso de la información que nos ofrece cada trama, como la dirección MAC (identificador único en el mundo que se encuentra en cada dispositivo de red, como por ejemplo la tarjeta de red de una computadora). Con esta información se basa para direccionar la trama solo al puerto en el que se encuentra dicha MAC destino de la trama.

Proceso de aprendizaje de Direcciones en un Switch

El switch usa una tabla de direcciones MAC, que al reiniciar el equipo se encuentra vacía, cuando un equipo terminal envía una trama a otro, el switch sabe por que puerto este es recibido, así que obtiene la dirección MAC origen de la trama y crea un registro en la tabla de direcciones con la tupla (puerto, dirección MAC), al no saber en que puerto se encuentra la dirección destino este envía la trama a todos los demás puertos, menos al puerto por donde recibió la trama (ver la figura 4). Cuando el equipo terminal responde con una trama, el switch obtiene la dirección origen e ingresa la tupla correspondiente al puerto y dirección MAC origen, desde este momento los equipos terminales origen y destino pueden tener una comunicación punto a punto, sin que otros equipos puedan monitorear su tráfico o provocar colisiones entre ellos. Cuando el equipo emisor y receptor detienen su comunicación por cierto tiempo, el switch puede borrar sus registros de la tabla, para tener luego que registrarlos cuando se comuniquen nuevamente y tener siempre actualizada su tabla. Esto garantiza el normal funcionamiento ante cambios constantes de los equipos de red.

Decisiones de Envió y Filtrado en los Switch

Cuando un equipo terminal envía una trama, al llegar al switch, este verifica su tabla de direccionamiento y si se encuentra la dirección MAC destino es enviado por el puerto asociado (en la tabla) y solo a ese puerto, si no lo conoce envía a todos los puertos menos al del emisor.

Existen, ciertos factores que pueden hacer variar las decisiones de envió y filtrado, entre esos factores están:

a. Tramas de Difusión y Multidifusión (Broadcast y Multicast Frames)

Estas tramas no tienen una dirección MAC destino de un hardware especifico o de un equipo especifico, la dirección MAC origen es del equipo que envió la trama. Este tipo de tramas es enviado a toda la red (a todos los puertos del switch, menos al puerto de donde recibió la trama). Ver Tabla 2.

b. Evitar Ciclos

Al apilar switches es recomendable tener enlaces redundantes entre ellos para prevenir desconexiones de la red, ante fallas en un enlace. La redundancia conlleva problemas al generarse ciclos, tales como:

1. Tormenta Broadcast (Broadcast storm), al generarse tramas broadcast por algún equipo estos pueden viajar por la red infinitamente. Ver figura 5.

2. Recepción de múltiples copias de tramas, al enviarse la trama de un equipo por dos segmentos distintos hacia un mismo equipo receptor.

3. Registro de la dirección MAC de un equipo, recibido por distintos puertos (interfaces del switch).

4. Saturación de la red, cuando suceden tormentas de broadcast.

Estos problemas son solucionados por el protocolo de Arbol de Cobertura (Spanning-Tree Protocol).El protocolo de Árbol de Cobertura (Spanning-Tree Protocol), determina una sola ruta para llegar a algún lugar de la red y los enlaces redundantes son bloqueados, (los switches se dividen en dos tipos uno root y los demás no root). Ver figura 6.

Broadcast (difusión en español), es un modo de transmisión de información donde un nodo emisor envía información a una multitud de nodos receptores de manera simultánea, sin necesidad de reproducir la misma transmisión nodo por nodo.

Las tecnologías de redes de área local también se basan en el uso de un medio de transmisión compartido. Por lo tanto, es posible la difusión de cualquier trama de datos a todas las estaciones que se encuentren en el mismo segmento de la red. Para ello, se utiliza una dirección MAC especial. Todas las estaciones procesan las tramas con dicha dirección.

Por ejemplo la tecnología Ethernet realiza la difusión enviando tramas con dirección MAC de destino: FF.FF.FF.FF.FF.FF

Hexadecimal Decimal Binario

FF.FF.FF.FF.FF.FF = 255.255.255.255 = 11111111.11111111.11111111.11111111

Que es un BROADCAST

Tabla de números Decimales, Hexadecimales y Binarios

Decimal Hexadecimal Binario

0 0 0000

1 1 0001

2 2 0010

3 3 0011

4 4 0100

5 5 0101

6 6 0110

7 7 0111

8 8 1000

9 9 1001

10 A 1010

11 B 1011

12 C 1100

13 D 1101

14 E 1110

15 F 1111

195 = 11000011

Dividimos el Octeto en 2 partes:

1100 y 0011 C 3

0xC3 HEXADECIMAL

128 64 32 16 8 4 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 = 255

Ejercitar los Conocimientos

Tecnología de Conmutación

Para la realización de la conmutación los fabricantes se basan en conmutación mediante hardware (más rápidos) y conmutación mediante procesador (pueden actualizarse).

1. ASIC, switches basados en circuitos integrados de específica aplicación (ASIC, application-specific integrated circuits), proporcionan un rendimiento más elevado a un costo por puerto bajo. Son diseños de hardware, por ello son muy rápidos, pero no pueden reemplazarse sin reemplazar todo el circuito integrado.

2. RISC y CISC, Utiliza chips RISC (Reduced instruction set computing, conjunto de instrucciones de computación reducida) y chips CISC (Complex instruction set computing, conjunto de instrucciones de computación compleja). Son más baratos, pueden programarse y tienen un rendimiento razonable en switches pequeños, pero no recomendables en más grandes.

3. DSP, Basados en procesadores de señal digital (DSP). De buen rendimiento en switches pequeños, son programables.

4. FPGA, (Field programmable gate array), combina velocidad y flexibilidad. Son basados en hardware como los ASICs para obtener la máxima velocidad, pero pueden ser reprogramados como los procesadores CISC, RISC y DSP. Son comúnmente llamados ASICs reprogramables.

Los switches más comúnmente utilizados son los que utilizan diseños basados en hardware ASICs o ASICs reprogramables.

La conmutación de paquetes es el envió de datos en una red de computadoras. Un paquete es un grupo de información que consta de dos partes: los datos propiamente dichos y la información de control, en la que está especificado la ruta a seguir a lo largo de la red hasta el destino del paquete. Mil octetos es el límite de longitud superior de los paquetes, y si la longitud es mayor el mensaje se fragmenta en otros paquetes.

Es también conocida como `Bus´, es la que conecta todos los puertos del switch internamente (en el switch).El switch internamente es como una red en miniatura, donde cada puerto se comunica con los demás y maneja mucho tráfico entre ellos. En el switch el ancho de banda interno determina el rendimiento individual de todos sus puertos. Existen 2 arquitecturas utilizadas para su implementación.

1. Bus, es un bus interno de muy alta velocidad (arriba de los 3 Gbps.), pero compartido.

2. Múltiples Buses (Crossbar), la matriz de conmutación es realmente un conmutador o switch.

Matriz de Conmutación (BackPlane)

Es una matriz de conmutación que conecta todos los puertos del switch internamente. Es el componente que permite la conmutación de paquetes.

Según la capacidad de un switch de soportar conexiones a distintos anchos de banda entre sus puertos, el switch puede trabajar como:

1. Asimétrico, cuando existen conexiones entre puertos a distintos anchos de banda. Por ejemplo un puerto 10BaseT y otro a 100BaseTX. Esta arquitectura es optimizada para tráfico muchos clientes y un servidor, dándole más ancho de banda al servidor. Ver figura 10.

2. Simétrico, cuando existen solo conexiones entre puertos con un mismo ancho de banda, ejemplo: conexión de dos puertos a 10Mbps., es recomendable para conexiones punto a punto.

Ancho de banda entre puertos de un Switch

En una conexión de muchos clientes y un servidor con puertos de igual ancho de banda, se generan cuellos de botella y pérdida de algunas tramas. Es por esta razón que se hace uso de buffers que manejan temporalmente las sobrecargas (cuando el switch comienza a congestionarse).

Cuando las redes deben manejar una gran carga de tráfico, el rendimiento es determinado por el número de buffers que puedan encontrarse en cada puerto.

El Control de Flujo también ayuda a manejar la gran carga de tráfico. Un mecanismo de control de flujo utilizado es la presión trasera (back pressure), que evita la perdida de datos. Cuando los buffers de un puerto se saturan el switch simula tráfico en uno o más puertos de entrada, utilizando sus buffers para el puerto saturado.

Control de flujo y almacenado (Buffering)